CAE有限元軟件在制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望分析
一、引言
CAE（計算機輔助工程分析）主要是以有限元法、有限差分法、有限體積以及無網(wǎng)格法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)發(fā)展起來的一個軟件行業(yè)。由于目前在國內(nèi)有限元法應(yīng)用最為廣泛，故此在這里主要介紹有限元類軟件在國內(nèi)的應(yīng)用，其他一些軟件不做過多的闡述。
作為20世紀中期興起的技術(shù)手段，有限元技術(shù)隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?；谟邢拊夹g(shù)，已經(jīng)在國際上形成了數(shù)百億規(guī)模的市場，而主要的有限元廠商則包括了ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS和MSC等，其他一些基于有限元算法的專業(yè)分析軟件則不勝枚舉。
隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)原有的有限元應(yīng)用體系正在發(fā)生著深刻的變化。早在80年代初期，國內(nèi)就已經(jīng)形成了一批以高校和研究院所為重點的有限元技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用體系。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年cae項目經(jīng)驗的高科技企業(yè)，公司代理國外多款著名cae軟件，并提供軟件的銷售與培訓(xùn)業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)cae通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購買cae軟件或咨詢服務(wù)請咨詢在線客服QQ：2039363860/4006046636。
近幾年來，數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的概念逐漸深入人心，國內(nèi)高校技術(shù)研究和應(yīng)用水平不斷提高，有限元技術(shù)已經(jīng)為廣大企業(yè)所認可，第三次有限元技術(shù)的應(yīng)用浪潮正在形成。值得注意的是，有限元技術(shù)不再僅僅停留在高校中，而是更多的走向了企業(yè)。同時，更多使用方便、操作簡單的專用分析軟件也得到了廣泛應(yīng)用。
二、應(yīng)用狀況
目前，CAE軟件在國內(nèi)主要應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、土木工程、石油等行業(yè)，在汽車行業(yè)的應(yīng)用尤為廣泛。軟件的類型主要包括通用前后處理軟件、通用有限元求解軟件和行業(yè)專用軟件。汽車行業(yè)在國外是有限元軟件的主要應(yīng)用行業(yè)，其所涉及的專業(yè)領(lǐng)域相當廣泛，并且應(yīng)用歷史長、應(yīng)用成熟度高。
目前，國內(nèi)常見的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、EDS公司的FEMAP和MSC公司的Patran，這些軟件在美國的汽車tahoetailsandtrails.org廠商中都有著廣泛的應(yīng)用。由于有限元技術(shù)的特點，使得前處理成為了一個相對獨立，而又十分重要的部分。一些大型企業(yè)都采用了適應(yīng)自己需求的前后處理軟件。這些前后處理軟件都具有良好的接口，可與眾多的有限元求解軟件相結(jié)合，以便用戶更快、更方便地解算問題。
求解軟件可以說是琳瑯滿目，通常的求解軟件包括：ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS、Cosmos、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、NEI/NASTRAN。這些軟件都有著各自的特點，在行業(yè)內(nèi)，一般將其分為線性分析軟件和非線性軟件，例如ANSYS、ALGOR都在線性分析方面具有自己的優(yōu)勢，而ABAQUS、NASTRAN、ADINA、MARC則在非線性分析方面各具特點，其中ABAQUS被認為是最優(yōu)秀的非線性求解軟件。
近年來，分析軟件正朝著多物理場的方向發(fā)展。大家可以通過業(yè)內(nèi)一些公司的舉動感受到這一點，例如，ANSYS公司收購CFX流體軟件，并加強與EMSS公司的合作，不斷加強其多物理場耦合的功能。在這里需要提到的是，由于歷史原因，ALGOR繼承了SAP的模塊化思想，在多物理場分析方面也有很好的應(yīng)用；同源于SAP的ADINA在流固耦合上則非常有特色。由于解算多物理場問題更多是從物理方程出發(fā)，因此另外還有一些軟件在這方面有著良好的應(yīng)用，比如MathWorks公司在數(shù)值計算軟件MATLAB基礎(chǔ)上發(fā)展起來的FEMLAB，又如國內(nèi)飛箭公司針對微分方程的FEPG系統(tǒng)。
此外，專用有限元軟件受其應(yīng)用領(lǐng)域的限制，只能在各自的行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，MAGMA公司的MAGMA系列鑄造軟件，可進行各種金屬材料澆鑄、流動性、固化、壓力、應(yīng)力、溫度及熱平衡的仿真分析。工程師可根據(jù)計算結(jié)果更改設(shè)計，調(diào)整帽口的位置和數(shù)量，進而提高鑄造質(zhì)量。又如，法國ESI公司的ProCAST，其與MAGMA是競爭關(guān)系，軟件功能與MAGMA大同小異。另外還有在鍛造領(lǐng)域應(yīng)用比較多的Deform系統(tǒng)，tahoetailsandtrails.org也得到了國內(nèi)很多企業(yè)的認可。
在板材成型行業(yè)里，有AUTOFORM系列軟件，該軟件單元架構(gòu)基于膜單元形式，因此其運算速度在同行業(yè)內(nèi)相對較快。MSC/DYTRAN，其特有的材料流動性分析可直觀地預(yù)測出沖壓件厚度及應(yīng)力分布、開裂和皺褶的形成等。另外，來自ETA公司的DYNAFORM可以預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕和回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計提供幫助。由于這一類分析工作與模具設(shè)計有著非常大的關(guān)聯(lián)，因此以上這些軟件都注重與CAD軟件的接口，基本都與流行的三維設(shè)計軟件CATIA、Pro/ENGINEER和UG有著良好的接口，軟件的使用操作也都比較方便。
另外，在汽車行業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常要對整車進行機械動力學(xué)仿真，在這一領(lǐng)域中，國內(nèi)常見的軟件有MSC/ADAMS。其被廣泛用來進行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動態(tài)仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用，以準確地建立輪胎的動力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊專為汽車動力學(xué)仿真而設(shè)計，使用十分方便。另外在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的還有美國ETA公司的VPG，VPG（VirtualProvingGround）虛擬試驗場是ETA公司長期總結(jié)汽車分析工程經(jīng)驗，在LD-DANA平臺上開發(fā)的，是ETA、LSTC和ANSYS三家公司合作推出的專門應(yīng)用于汽車工程的軟件。VPG主要被應(yīng)用于當前汽車產(chǎn)品開發(fā)中的重點——整車系統(tǒng)疲勞、整車系統(tǒng)動力學(xué)、NVH和整車碰撞安全及乘員保護等熱門問題。
另外市場上還有一些專業(yè)軟件，例如，LMS公司的噪音分析軟件SYSNOISE，MSC公司的疲勞分析軟件MSC/Fatigue，nCode公司的Fatigue，奧地利MAGMA公司的熱疲勞分析軟件FEMFT等。
三、應(yīng)用展望
下面有限元科技小編將按照一般的產(chǎn)品設(shè)計流程，在不同的設(shè)計階段，將上文提到的軟件對號入座，幫助讀者取得比較感性的認識。
1、概念設(shè)計階段
這一階段主要有三個方面的內(nèi)容。
（1）市場調(diào)研；
（2）技術(shù)設(shè)計，包括各種方案的計算機效果模擬和分析仿真論證；
（3）評估、準備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施。
這一階段主要進行較為詳細的、帶有一定目標性的預(yù)演，大企業(yè)可以利用一些大型通用非線性CAE軟件來幫助制定方案，比如ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC。而中小企業(yè)可以用ALGOR、ANSYS和ADINA等軟件完成這部分工作。
2、詳細設(shè)計階段
在概念設(shè)計完成以后，緊接著就是詳細設(shè)計。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力特性和生產(chǎn)性等)。
該階段需要操作簡單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時間完成評估工作。這類軟件包括ALGOR、ANSYS/DesignSpace、COSMOS等，這些軟件有著良好的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)格自動生成功能，使用方便、快捷，對使用者的要求較低。在該階段的尾期，也可以用一些非線性求解器做進一步的驗證。
3、樣機制造階段
根據(jù)詳細設(shè)計提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗樣機的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。
4、產(chǎn)品測試評估階段
這一階段主要是利用各種測試和評估手段對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實的評價，從而為設(shè)計更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。在該階段，主要使用一些非線性分析功能強的軟件，以及一些多場耦合軟件，如ABAQUS、ANSYS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC等。在此階段還可以使用一些機械動力學(xué)仿真軟件、疲勞分析軟件，來最終評估整裝后的產(chǎn)品性能。
四、應(yīng)用建議
綜上所述，國內(nèi)市場上的CAE軟件非常豐富，企業(yè)采購軟件需要根據(jù)自己的實際情況。在發(fā)展的初期階段，由于各方面條件還不太完善，資金經(jīng)費相對較為緊張，因此不可能面面俱到，一次引進所有的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)有計劃、有目標、分階段地引進。
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